一種基于協同學的異構網絡接入控制方法
【專利摘要】一種基于協同學的異構網絡接入控制方法是無線網絡中一種從網絡資源利用率和用戶滿意度來考慮用戶請求是否接入的方法。本發明采用協同學的方法，以兩個網絡重疊覆蓋區域中選擇各個網絡的用戶數比例為序參量，進而建立協同學方程，分析使系統吞吐量最大的用戶比例；當處于重疊區域的用戶請求接入新業務時，根據當前重疊區域中已經接入兩個網絡的用戶數比例以及兩個網絡的信道占用情況，對用戶業務進行接入控制。基于協同學的接入控制方法在提高系統吞吐量的同時也顧慮到了用戶的滿意度。本發明簡單實用，可以在異構無線網絡的接入控制方法中得到廣泛使用。
【專利說明】-種基于協同學的異構網絡接入控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明是一種適用于異構無線網絡的協同學接入控制方法，屬于通信【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 協同學是研究一個系統從無序到有序的演化規律和特征，是對各種不同環境中大 量客體（電子、原子、分子、細胞、神經元、生物器官、人、交通工具等）在宏觀尺度內產生的 空間的、時間的或時空結構的系統及其作用方式進行的跨學科方向。協同系統是指由許多 子系統組成、能以自組織方式形成宏觀的空間、時間或功能有序結構的開放系統。
[0003] 異構無線網絡由采用不同無線接入技術的無線接入網絡組成，這些無線接入網絡 就是子系統，子系統之間相互作用，相互影響。異構無線網絡是一協同系統，系統的性能和 效益則是由子系統間的合作性質所決定的，故可以采用協同學來研究。
[0004] 協同學解決問題的一般方法分為以下幾步：
[0005] (1)把要解決的問題翻譯成數學問題，通常是建立系統的數學模型；
[0006] (2)找出系統的序參量，序參量主宰了系統的最終結構和功能的有序度；
[0007] (3)根據數學模型，建立相應的運動方程，即主方程；
[0008] (4)分析求解運動方程；進一步得到系統優化方程或勢函數，找出系統的相變點， 分析系統的穩定性；
[0009] 異構無線網絡的融合成為一個研究熱點，不同的無線接入網絡在適合的傳輸業 務、覆蓋范圍以及可傳輸的最大數據速率等方面存在很大差異。利用這些無線網絡的差異 為處于異構無線網絡覆蓋區域的用戶選擇合適的網絡，使網絡資源得到充分利用的同時保 證用戶的滿意度，這是異構無線網絡融合的關鍵。由于協同學是一種研究系統宏觀特征的 方法，所以在本發明中研究網絡性能的變化時，不能對系統中的一個個用戶的特征以及他 們和子系統的相互作用進行分析，而需要采用宏觀量來描述統計行為。宏觀上網絡性能和 用戶整體滿意度與網絡的資源調度策略相關。本發明將兩個網絡重疊區域中選擇各個網 絡進行接入的用戶數比例作為序參量，通過選擇最優的序參量，使得整個系統的資源得到 最優配置，并且以此指導重疊覆蓋區域的新到達業務進行接入，從而在提高網絡吞吐量的 同時降低用戶接入的阻塞率。
[0010] 在既定的無線網絡資源下，每個網絡所能提供的最大單信道數據傳輸速率是一定 的。網絡不斷開發新技術以致力于提高網絡資源利用率，提升網絡吞吐量。用戶真正關心的 是分配給他的資源能否滿足其需求，以及自身業務不被阻塞的概率。本發明基于協同學理 論，找到重疊區域新到達用戶合理接入的方法，同時兼顧網絡的效益和宏觀的用戶滿意度。
【發明內容】
[0011] 技術問題：本發明的目的是提供一種基于協同學的異構網絡接入控制方法。該方 法通過對協同學中的運動方程進行分析，找到系統吞吐量的相變點，兼顧網絡效益和宏觀 的用戶滿意度，確定出重疊覆蓋區域接入兩個相鄰網絡的最優用戶數比例，使得以這種比 例接入用戶時，系統資源得到充分利用，系統吞吐量達到最大，同時用戶滿意度得到保證， 業務阻塞率得以降低。當重疊區域用戶請求接入新業務時，根據當前重疊區域用戶比例與 最優用戶比例的關系，選擇是否接入此用戶，以及將其接入哪個網絡。
[0012] 技術方案：本發明旨在從宏觀角度對異構網絡性能進行分析，并提出一種接入控 制方法，使得系統資源得到優化配置，系統吞吐量達到最大，同時保證用戶滿意度，降低用 戶業務阻塞率。
[0013] 用協同學實現該方法的基本過程是：
[0014] 1)建立異構網絡系統模型，確定系統序參量；這里考慮的異構網絡系統只包含 UMTS網絡和WiMax網絡，但相關方法和思路同樣適用于多個網絡或其他網絡的場景；確定 的序參量為網絡重疊覆蓋區域中選擇UMTS和WiMax進行接入的用戶數比例p ;
[0015] 2)引入各個網絡被占用信道數的概率分布函數P(i，t)，建立概率分布函數 p(i，t)的運動方程，即主方程，并對主方程進行分析，確定系統在穩態時不同信道數被占用 的概率；
[0016] 3)建立系統吞吐量優化方程，找出系統資源充分利用的相變點；根據系統吞吐 量優化方程，求解使系統吞吐量最大的用戶數比例P_ ;
[0017] 4)依據相變點對重疊區域新到達用戶業務進行接入控制；當處于重疊區域的用 戶請求接入時，若當前重疊區域已經接入UMTS和WiMax的用戶數比例小于ρ_，并且UMTS 有可用信道，則將用戶接入UMTS ;若UMTS沒有可用信道，則嘗試將用戶接入WiMax，此時，若 WiMax有可用信道，則將用戶接入WiMax ;若WiMax沒有可用信道，則用戶業務被阻塞；反之 亦然。
[0018] 有益效果：本發明方法提供了一種基于協同學的異構網絡接入控制方法。該方法 通過對協同學中的運動方程進行分析，找到系統資源充分利用的相變點，確定重疊區域中 接入相鄰兩個網絡的最優用戶數比例，使得以這種比例接入用戶時，系統資源得到充分利 用，系統吞吐量達到最大，同時用戶滿意度得到保證，業務阻塞率得以降低。該方法相對于 其他異構網絡接入控制方法，能夠從宏觀上對系統資源進行調度，提高系統資源利用率，最 大化系統吞吐量，同時降低用戶業務阻塞率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1異構無線網絡系統圖。
[0020] 圖2接入控制流程圖。
【具體實施方式】
[0021] 處于網絡重疊覆蓋區域的用戶接入各個網絡的用戶數比例是反映系統對資源進 行整體調度的重要參數。在異構網絡系統中，各個網絡的覆蓋范圍、最大數據傳輸速率以及 信道資源是固定的。各個網絡的資源由自身與其他網絡非重疊區域的用戶以及自身與其他 網絡重疊區域的用戶共享。同時，處于多個網絡重疊覆蓋區域的用戶可以選擇多個網絡進 行接入。但是，能否合理配置重疊區域的用戶接入各個網絡的用戶數比例，這極大影響了系 統資源利用率和用戶滿意度。
[0022] 本發明是一種基于協同學的異構網絡接入控制方法。該方法首先建立異構網絡系 統模型，確定重疊區域中選擇各個網絡的用戶數比例為序參量，并引入各個網絡被占用信 道數的概率分布函數；進而建立概率分布函數的主方程，并對主方程進行分析，確定系統在 穩態時不同信道數被占用的概率；然后建立系統吞吐量優化方程，找出系統資源充分利用 的相變點；最后依據相變點對用戶進行接入控制，使得以相變點進行接入控制時，系統資 源得到充分利用，系統吞吐量得到最大，并且用戶業務阻塞率得以降低。
[0023] 結合附圖，對本發明方案作進一步的具體分析和描述。該發明方法包括4個過程 并按所述順序進行：
[0024] 1)建立異構網絡系統模型，確定系統序參量
[0025] 本發明適合多種異構無線網絡融合的場景，為了簡便，本發明考慮的異構無線網 絡系統由UMTS和WiMax兩個網絡構成，如附圖1所示；(!"((!")、N(M)和分別表示 UMTS (WiMax)的覆蓋半徑、信道數和單信道的數據傳輸速率；UMTS和WiMax重疊覆蓋區域 的業務到達率服從λ °的泊松分布，UMTS和WiMax非重疊覆蓋區域的業務到達率分別服從 λ u和λ w的泊松分布，業務持續時間服從均值為1/ μ的指數分布，用戶的平均移動速度為 ν ;
[0026] 對于單個子網絡，其信道資源由處于網絡重疊區域的用戶和處于非重疊區域的用 戶共享；單個子網絡的狀態可用當前被用戶業務所占用的信道數i來描述，假設一個用戶 業務只占用一個網絡信道，那么網絡可從狀態i轉移到狀態i+Ι或i-Ι，反之亦然；
[0027] 處于網絡重疊覆蓋區域的用戶既可以選擇UMTS進行接入，也可以選擇WiMax進行 接入；為了使異構網絡系統資源得到充分利用，本發明將UMTS和WiMax的網絡重疊區域中 選擇UMTS和WiMax進行接入的用戶數比例p確定為序參量；
[0028] 將UMTS從狀態i轉移到狀態i+Ι的轉移率記為yf，那么，芩應包括非重疊區域 的業務到達率λ u、重疊區域的業務到達率以及從其它網絡到UMTS的平均業務切換率If， 即：
【權利要求】
1. 一種基于協同學的異構網絡接入控制方法，其特征在于該方法基于協同學的角度， 通過建立以重疊區域接入兩個網絡的用戶數比例為序參量的協同學方程，得到使系統吞吐 量最大的用戶數比例，進而對重疊區域的用戶進行接入控制，具體包括如下步驟： 步驟1 :建立異構網絡系統模型，確定系統序參量； 異構無線網絡系統有UMTS和WiMax兩個網絡；屯(dw)、N(M)和Ru (Rw)分別表示 UMTS (WiMax)的覆蓋半徑、信道數和單信道的數據傳輸速率；UMTS和WiMax重疊覆蓋區域 的業務到達率服從λ °的泊松分布，UMTS和WiMax非重疊覆蓋區域的業務到達率分別服從 λ u和λ w的泊松分布，業務持續時間服從均值為1/ μ的指數分布，用戶的平均移動速度為 ν ; 對于單個子網絡，其信道資源由處于網絡重疊區域的用戶和處于非重疊區域的用戶共 享；UMTS系統的狀態可用當前被用戶業務所占用的所有信道數i來描述，其中，0 < i < Ν ; 假設一個用戶業務只占用一個網絡信道；那么網絡可從狀態i轉移到狀態i+1或i-1，反之 亦然； 確定UMTS和WiMax重疊區域中選擇UMTS和WiMax進行接入的用戶數比例p為序參 量； 步驟2 :建立概率分布函數的主方程，并對主方程進行分析，確定系統在穩態時不同信 道數被占用的概率； 以概率分布函數P(i，t)表示t時刻UMTS網絡被占用信道數為i的概率，P(i，t)服從 如下的動態概率平衡方程，即建立的P(i，t)的主方程為： uP{lJ、= [iv4 (/ i- 1)P(/ i- It) - w l (f)PU,f)] dt +[wt (i)P(i,t)] 上式含義：概率構型P(i，t)隨時間的變化由兩個相對的項組成；第一個項描述了單位 時間內從所有相鄰概率構型到概率構型P(i，t)的概率流，第二個帶負號的項抽象的是從 概率構型P(i，t)到所有相鄰概率構型的概率流； 當系統處于穩態時，令=〇，可得 dt w I (i+l)Pst(i+l) =w f (i)Pst(i) 可以得到穩態概率分布Pst (i) (n γ1 <，(，·)= Σ((，)7/·/!) W);//!， Vi=° J 其中 u λυ+ρλ°+Αξ π =-- μ+2ν/{π?ν) UMTS處于穩態的平均用戶數Μ"可由Μ, = (7)得到；同樣的，可以得到WiMax處于 穩態時的平均用戶數Mw; 步驟3 :建立系統吞吐量優化方程，找出系統資源充分利用的相變點； 依據UMTS和WiMax處于穩態時的平均用戶數％和Mw，UMTS和WiMax的單信道數據傳 輸速率^和心，可以得到異構網絡系統總的平均吞吐量即為 T(p) = RA+RwMw (7) 本發明旨在使用最優的P來最大化系統的總平均吞吐量；因此，本發明的優化問題可 以表述為 max T (p) = RuMu+RwMw s. t. Ο ^ p ^ 1 (8) 可以通過迭代方法求得使系統總平均吞吐量最大的P，即P_ ;P_即為異構網絡系統 吞吐量的相變點，在最優用戶數比例，異構網絡的總系統吞吐量達到最大，并且此時 系統處于穩態； 步驟4 :依據相變點對用戶進行接入控制； UMTS和WiMax的重疊覆蓋區域有新業務到達，若當前重疊區域已經接入UMTS和WiMax 的用戶數比例小于，并且UMTS有可用信道，則將用戶接入UMTS ;若UMTS沒有可用信道， 則嘗試將用戶接入WiMax，此時，若WiMax有可用信道，則將用戶接入WiMax ;若WiMax沒有 可用信道，則用戶業務被阻塞； 反之，若當前重疊區域已經接入UMTS和WiMax的用戶數比例大于等于p。#，并且WiMax 有可用信道，則將用戶接入WiMax ;若WiMax沒有可用信道，則嘗試將用戶接入UMTS，此時， 若UMTS有可用信道，則將用戶接入UMTS ;若UMTS沒有可用信道，則用戶業務被阻塞。
【文檔編號】H04W48/18GK104113876SQ201410259648
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】朱曉榮, 趙亞南, 王勇, 楊龍祥, 朱洪波 申請人:南京郵電大學